CFD를 이용한 이륜차용 가솔린 엔진의 유동 특성과 엔진 성능 예측에 관한 연구

Abstract

가솔린 엔진은 수송 분야 뿐만 아니라 여러 산업 활동에 폭 넓게 사용되고 있지만, 환경 규제와 에너지 고갈 문제는 여전히 해결하지 못하고 있다. 삼원 촉매를 사용하여 NOx, CO 및 HC의 배출량을 저감 시킬 수 있고 예혼합 연소를 함으로써 PM의 배출이 적지만 말단 가스(end gas)에서 자발화에 의한 노킹이 발생하여 압축비를 높게 할 수 없고 가연 한계(limit of inflammability)를 넘은 희박한(lean) 분위기에서는 연소를 할수 없기 때문에 저 부하 시에는 스로틀 밸브 조절이 필요하여 펌핑 손실(pumping loss)가 발생하는 문제점이 있어 저공해를 실현 시킬 수 있지만 효율 면에서는 부족함이 있다. 최근 이러한 문제점을 해결하기 위해서 연료의 미립화, 밸브 리프트, 흡기 유동 강화를 이용하여 엔진 성능을 향상시키는 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 CFD 수치 시뮬레이션을 이용하여 엔진의 분무 시스템, 밸브 리프트 및 흡기 유동장 설계를 통하여 엔진 성능을 확인하고 실험을 통하여 검증하고 예측하고자 하였다. 또한 엔진 성능에 영향을 미치는 요인에 대하여 개선안을 제시하고자 하였다. 그 결과 상용 가솔린 포트 인젝터의 거시적 분무 특성 및 미시적 분무 특성의 시뮬레이션 결과 및 실험 결과를 확인하였고 최대 오차율 -1.1%로 시뮬레이션 연구의 신뢰성을 확인하였다. 또한 가솔린 엔진의 성능 향상을 위한 시뮬레이션 연구를 진행하여 엔진 브레이크 토크 및 파워에 재 설계된 캠 프로파일이 영향을 미치는 것을 확인하고 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하여 검증하였고 최대 오차율 2.42%임을 확인하여 시뮬레이션 연구의 신뢰성을 확인하였다. 그리고 포트 연료 분사 엔진에서의 실린더 내부 흐름 분석을 위한 시뮬레이션 연구를 진행하여 텀블 유동, 스월 유동 및 난류 운동 에너지 등의 결과를 파악하고 나타내었다. 포트 연료 분사 엔진에서의 실린더 내부 흐름 분석 실험을 위한 정상 유동 장치 구축을 진행하였고 직접 제작을 진행한 구성품 및 전체적 진행 상황을 나타내었다. 본 연구를 통하여 현재 상용되거나 가장 최근 개발되고 있는 이륜차용 가솔린 엔진을 이용하여 시뮬레이션 연구와 실험을 진행한 결과값을 이용하여 설계시 실제 사용 가능한 기준점으로 사용할 수 있으며 CFD 모델이 매니폴드, 스프레이, 필름, 혼합물 형성 및 연소와 같은 최적화를 위한 포트의 각 부분의 영향에 대하여 깊이 조사하는 도구로 연구에 기여할 것으로 기대된다.